IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN …IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN EXOESQUELETO...

1

IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICAPARA UN EXOESQUELETO PASIVO DE

MIEMBROS INFERIORES.

Ivan Adrián Mendoza Diusaba

Universidad Militar Nueva Granada

Facultad de Ingeniería

Programa de Mecatrónica

Bogotá D.C. 2011

2

IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICAPARA UN EXOESQUELETO PASIVO DE

MIEMBROS INFERIORES.

Ivan Adrián Mendoza Diusaba

Auxiliar de investigación para optar el titulo de Ingeniero en Mecatrónica

Investigador tutor: Ing. Nelson Velasco

Universidad Militar Nueva Granada

Facultad de Ingeniería

Programa de Mecatrónica

Bogotá D.C. 2011

Índice general

1. Introducción. 51.1. De�nición del problema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2. Objetivos de la investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3. Antecedentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Sistemas en tiempo real. 132.1. Clasi�cacion de los sistemas en tiempo real. . . . . . . . . . . . . 142.2. Características de los sistemas de tiempo real. . . . . . . . . . . . 14

3. Sistema de captura de movimiento. 173.1. Sensores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2. Software del microcontrolador PIC. . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Módulo de comunicación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.4. Veri�cación de los datos en el computador. . . . . . . . . . . . . 30

4. Pruebas y resultados del sistema 33

5. Conclusiones y trabajos futuros 38

Bibliografía 44

3

ÍNDICE GENERAL 4

DEDICATORIA.

El mundo es un baúl de conocimientos y la vida es una línea de aprendizajedonde día a día es más larga, pero esto no se hace solo, por eso quiero darle lasmas in�nitas gracias a Dios por darme la vida y la salud para asumir este retocon todas las fuerzas posibles, pero especialmente le doy gracias a mi mamaporque sin ella este logro no hubiera sido posible ya que ella me brindo todo suánimo, su corazón y sobre todo el amor de madre que es el que me ha llevadoa �nalizar este sueño con las mejores ganas y fuerzas. Por último darle graciasa todas y a cada una de las personas que mucho o poco ayudaron a que estesueño hoy se convierta en una realidad.

Capítulo 1

Introducción.

En la Universidad Militar Nueva Granada se desarrolla un proyecto de inves-tigación el cual consiste en realizar un exoesqueleto para miembros inferiores,este sistema se compone de una fase pasiva y una fase activa. Actualmente elproyecto se encuentra en el desarrollo de la primera fase es decir la parte pasiva;en la esta fase el exoesqueleto se compone de una parte mecánica la cual consisteen la construcción del modelo físico del exoesqueleto y una parte electrónica enla cual se desarrolla la parte del sistema de captura de movimiento para poderobtener las variables cinemáticas que se obtienen a la hora de la marcha.

Los exoesqueletos actualmente se utilizan en diferentes aplicaciones comolo son la rehabilitación de personas, en la industria militar, etc. Este proyectoprácticamente se basa en lograr aumentar la fuerza a una persona normal paralograr el menor esfuerzo físico por parte de la persona que lo porte. En la primerafase la cual consiste en la elaboración de un modelo pasivo del exoesqueleto sepresenta el problema de lograr detectar las diferentes variables cinemáticas quegenerara el modelo mecánico.

En el capítulo se observara la de�nición del problema, los objetivos delproyecto y los antecedentes de trabajos ya realizados en el área de la inves-tigación.

1.1. De�nición del problema.

La idea general de un exoesqueleto es que este ayude a la persona a de-sarrollar diferentes tareas sin interferir la acción natural del ser humano, parapoder lograr que el exoesqueleto no inter�era en la actividad de la persona quelo lleva es su exterior es necesario realizar un control de movimiento de dichoexoesqueleto.

5

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 6

A la hora de desarrollar un sistema de control para un exoesqueleto loprimero que se debe tener en cuenta es la captura de las señales que generael movimiento de la estructura y así poder realizar un procesamiento de dichasseñales para lograr comparar la marcha humana con la marcha del exoesqueleto.

Este proyecto de investigación se enfoca en realizar un sistema de adquisiciónde las señales que genera un exoesqueleto de miembros inferiores. En el siguientenumeral se mencionaran los objetivos del proyecto de investigación.

1.2. Objetivos de la investigación.

Objetivo general:

Implementar un sistema para el registro de variables cinemáticas durantela marcha.

Objetivos especí�cos:

• Realizar la medición de las variables cinemáticas de los miembrosinferiores por medio de acelerómetros.

• Realizar el acondicionamiento necesario para que los datos de losacelerómetros puedan ser transmitidos por vía inalámbrica.

• Realizar labores de diseño y construcción de los sistemas para adquisi-ción de datos y procesamiento de señales para un exoesqueleto pasivode miembros inferiores.

A continuación se mencionara algunos trabajos que se han realizado relacionadoscon el proyecto de investigación.

1.3. Antecedentes.

En esta sección se hará una breve reseña acerca de los diferentes trabajosque se han elaborado en el campo de los sistemas de captura de movimiento yalgo de trabajos realizados sobre exoesqueletos que se enfocan un poco más enel proyecto global.

Un importante estudio que se realizo sobre los exoesqueletos fue el que rea-lizo en Ingeniero israelí Amit Go�er, fundador de la empresa tecnológica ArgoMedical Technologies, ha creado un exoesqueleto electrónico capaz de ayudar acaminar a las personas parapléjicas. Aunque el paciente necesita muletas para


mantener el equilibrio, el sistema cuenta con un mando a distancia que se ajus-ta a la muñeca y que pone en funcionamiento una serie de sensores corporalesgracias a los cuales se motorizan las piernas, permitiendo el movimiento.

Los pacientes pueden elegir qué tipo de movimiento desean como sentarse,andar, bajar o subir escaleras a través del mando a distancia, que sólo necesitaunas pilas recargables. Desde Argo Medical Technologies no creen que puedanofrecer una alternativa práctica a las sillas de ruedas antes de 2010, cuando sepondrá a la venta este exoesqueleto con un precio de 20.000 dólares.

Según el profesor Go�er, con este sistema �los pacientes podrán levantarsedirectamente de su silla de ruedas�. Aunque este ingeniero sufre paraplejía,paradójicamente no puede hacer uso de su invento al carecer de plena movilidaden los brazos.

Actualmente, el sistema se está utilizando en ensayos clínicos en el CentroMédico de Tel-Aviv (Israel), y posteriormente llegará al Instituto de Investi-gación de Rehabilitación de Pensilvania (Estados Unidos) [1].

Figura 1.1: Exoesqueleto creado por Argo Medical Technologies

Otro importante desarrollo en el área de los exoesqueletos es el Hal es elprimer exoesqueleto biónico que se fabricará en masa y estará disponible para elcliente �nal en cualquier establecimiento, sin tener que obtener ningún permisoespecial. El Hal con un mínimo esfuerzo incrementa la fuerza del usuario. Estetraje robótico, dice el sitio o�cial: � lee las señales nerviosas que son enviadas alcerebro por los músculos vía una motoneurona, que mueve el sistema músculoesquelético como consecuencia. En ese momento, débiles bioseñales pueden serdetectadas en la super�cie de la piel. Hal agarra esas señales a través de un sensoradjunto en la piel del usuario. Basado en las señales que obtiene, la unidad depoder responde a las actividades diarias del usuario.�[3]


Después de mirar un poco acerca de lo que son los exoesqueleto se pasaraa hablar sobre la base del proyecto de investigación que se trata sobre los sis-temas de captura de movimiento en los últimos años y para esto se toma comoreferencia un prototipo de un sistema de captura de movimiento desarrolladoen la UNAM de México, este prototipo es de un sistema que permite registrary visualizar en tiempo real el movimiento de las articulaciones del cuerpo hu-mano. La principal ventaja de este sistema es que puede operar completamente,aún utilizando un equipo PC de bajo costo; otras ventajas importantes son: elbajo costo de hardware del sistema y de los sensores, no requiere de ambientescontrolados y el tiempo requerido para su calibración es mínimo

El prototipo del sistema está formado básicamente por 3 partes.

Un conjunto de sensores que detectan el movimiento de las articulaciones.

Un circuito que permite digitalizar las señales de los sensores.

Una aplicación encargada de adecuar y visualizar la información, este soft-ware se ejecuta en una computadora que se denomina como externa.

Los sensores están hechos de materiales �exibles y permiten medir la magni-tud de la deformación a que son sometidos. En caso de que el sensor sea doblado,el voltaje en sus terminales puede relacionarse con el ángulo de �exión. Si seacopla uno de estos sensores a una articulación y esta se dobla deformandoal sensor, entonces es posible registrar su movimiento. El circuito del sistemapermite capturar la información de 64 sensores, la magnitud del voltaje en lasterminales de cada uno de ellos es digitalizada y enviada a una computadoraexterna por medio de un puerto seria. El circuito entrega las lecturas de los sen-sores en forma de un vector de 64 enteros delimitados por un par de caracteresespeciales.

<#a0a1a2a3....a63#>

Hardware de Captura��-Driver

Los caracteres especiales permiten a la computadora externa reconstruir elvector de datos. La lectura correspondiente a cada sensor es un entero cuyovalor varía de 0 a 255, si se quiere interpretar como un ángulo se debe aplicaruna transformación lineal:

AnguloFlexión = LecturaSensor*Factor + O�set


El circuito está formado básicamente por un multiplexor analógico y unmicrocontrolador el cual tiene un módulo de conversión A/D y otro de comuni-cación serial. En la siguiente �gura se muestra esquemáticamente este circuito.

Figura 1.2: Hardware del sistema de captura de movimiento

El software del sistema se ejecuta en la computadora externa y permite leerla información proveniente del hardware de captura. El comportamiento de losdatos capturados puede visualizarse directamente en la aplicación, o bien puedetransferirse a otras aplicaciones. En el primer caso, la visualización se realizautilizando un modelo formado por una estructura de eslabones que represen-tan al cuerpo humano, esta estructura es similar a un maniquí que emula losmovimientos al tiempo que estos son capturados. En el segundo caso, las apli-caciones pueden conectarse al software a través de un socket y así obtener lainformación al tiempo que esta es capturada.

Figura 1.3: Sistema de captura de movimiento

Otro trabajo importante que se realizo sobre los sistemas de captura demovimiento es el Diseño y Validación de un Exoesqueleto Maestro-Esclavo paraRehabilitación de Piernas desarrollado en la UNAB por miembros de la IEEE.En artículo se presenta el diseño de un exoesqueleto de tipo maestro-esclavoque busca facilitar la rehabilitación del movimiento de una pierna lesionada


partiendo del patrón generado por una pierna sana. El sistema se enfoca enasistir los movimientos rotacionales de la cadera, rodilla y tobillo, dentro delplano sagital.[16]

El exoesqueleto consta de: una estructura pasiva con sensores para grabarlas trayectorias de una pierna, y de una estructura activa encargada de inducirdichos movimientos sobre la otra pierna con el uso de actuadores. En la �gurase observa algunas vistas del diseño �nal concebido, donde la pierna derecha esel sistema activo y la pierna izquierda el sistema pasivo.

Figura 1.4: Exoesqueleto de miembros inferiores

La instrumentación electrónica involucrada en el desarrollo del sistema, per-mite convertir las señales de desplazamiento angular en una magnitud eléctrica,para luego transmitirla y procesarla a �n de obtener visualizaciones y respuestasdel sistema para accionar y controlar los actuadores. El diseño electrónico es degran importancia ya que nos permite establecer relaciones entre la mente y elcuerpo del sistema, de la manera más e�caz posible. En la siguiente �gura sepresenta un diagrama con las etapas electrónicas desarrolladas en el proyecto.

Figura 1.5: Sistema de captura de movimiento del exoesqueleto


Los sistemas de captura de movimiento en los exoesqueletos son ampliamenteutilizados en diferentes aplicaciones de medicina, aplicaciones militares, realidadvirtual, etc. A continuación se menciona un sistema de captura de movimientodesarrollado en la Universidad Nacional de Asunción - Paraguay en el grupo deinvestigación de electrónica y Mecatrónica.

Figura 1.6: Sistema de captura de movimiento para exoesqueleto de miembrossuperiores

Este proyecto se basa en la construcción de un exoesqueleto del brazo derechoel cual tiene 7 grados de libertad el cual cada grado es para cada articulación quese desea sensar, en la siguiente �gura se mostrara el diseño de los exoesqueletoscon los diferentes grados de libertad del modelo.

Figura 1.7: Exoesqueleto de 7 grados de libertad para el brazo derecho

Además de eso el proyecto consta de un guante con sensores de �exión paramedir los diferentes movimientos de las articulaciones de los dedos, estos sen-sores se comportan como resistencias por lo cual era necesario colocar un divisorde voltaje para poder tomar una mejor lectura de los datos de la mano de la per-sona, en esta parte del proyecto se genera una relación entre ángulos y voltajespara lograr medir la �exión de los sensores implementados en el guante.[5]


Figura 1.8: Guante con sensores de �exion.

Ese proyecto utiliza un circuito de transmisión de datos básico que constade los sensores, un conversos A/D, un microcontrolador y el transmisor que enese caso es un ZiggBee.

Como se pudo observar en los diferentes antecedentes es muy útil realizar unsistema de captura de movimiento para estructuras como la de un exoesqueletopara miembros inferiores.

Ya que se realizo la introducción al trabajo de investigación, en el siguientecapítulo se hablara sobre el marco teórico correspondiente a la investigación.

Capítulo 2

Sistemas en tiempo real.

Los sistemas de tiempo real pueden llevar muchas veces al control de di-ferentes eventos que suceden en la vida diaria o el mundo real, por lo cual elsistema responde a diferentes estímulos externos dentro de un tiempo especi�co.Un sistema de tiempo real se de�ne simplemente como un sistema informáticoque tiene la capacidad de interactuar rápidamente con su entorno físico y puedeeste realizar tareas de supervisión y/o control.[8]

Otros autores como Alan Burns y Andy Wellings presentan la de�nición deun sistema de tiempo real (STR) es la siguiente: �Un sistema en Tiempo Reales cualquier sistema donde el tiempo en que se produce su salida es signi�cante.Esto es debido a que generalmente la entrada corresponde a algún instante delmundo físico y la salida tiene relación con ese mismo instante. El retraso trans-currido entre la entrada y la salida debe ser lo su�cientemente pequeño paraconsiderarse una respuesta puntual�.[11]

Sencillamente un sistema de tiempo real es un sistema que interactúa acti-vamente con un medio físico. Los STR no solo dependen de la exactitud de losresultados de computo si no también del momento de entrega de los resultados,los STR son sistemas que se caracterizan por tener que producir una salida comorespuesta a una entrada en un tiempo determinado, el intervalo de tiempo quepresenta a la entrada y la salida debe ser bastante pequeño para que la respues-ta del sistema sea aceptable[8].Los sistemas de tiempo real (STR) manejan unaestructura la cual se observara en la siguiente �gura.

13

CAPÍTULO 2. SISTEMAS EN TIEMPO REAL. 14

Figura 2.1: Estructura de un sistema de tiempo real

2.1. Clasi�cacion de los sistemas en tiempo real.

Los sistemas de tiempo real se pueden clasi�car de dos tipos de acuerdo altratamiento adecuado de los errores que puedan presentar dichos sistemas, seclasi�can en sistemas de tiempo real blandos o sistemas de tiempo real duros.A continuación se mencionara cada uno de ellos un poco más a fondo.

Sistemas de tiempo real blandos (Soft real-time systems): re-presentan aquellos sistemas con restricciones de tiempo en las que unarespuesta tardía no produce graves daños pero si un deterioro del fun-cionamiento global.

Sistemas de tiempo real duros (Hard real-time systems): son aque-llos sistemas en los que el tiempo de respuesta debe garantizarse a todacosta. Una respuesta tardía puede tener consecuencias fatales.[10]

Incrementales: la calidad de la respuesta obtenida depende del tiempodisponible para su cálculo. Si se les da más tiempo la respuesta mejora.

2.2. Características de los sistemas de tiempo re-al.

Los sistemas en tiempo real poseen las siguientes características:

Determinismo: el determinismo es una cualidad clave en los sistemasde tiempo real, es la capacidad de determinar con una alta probabilidad,cuanto tiempo que se toma alguna tarea en iniciarse. Esto es importanteporque los sistemas de tiempo real necesitan que ciertas tareas se ejecutenantes de que otras puedan iniciar. Esta característica se re�ere al tiempo


que tarda el sistema antes de responder a una interrupción. Este dato esimportante saberlo porque casi todas las peticiones de interrupción que segeneran por eventos externos al sistema, así que es importante determinarel tiempo que tardara el sistema en aceptar esta petición de servicio.

Responsividad: la responsividad se enfoca en el tiempo que tarda unatarea en ejecutarse. Los aspectos a los que se enfoca son.

• La cantidad de tiempo que se lleva el iniciar la ejecución de unainterrupción

• La cantidad de tiempo que se necesita para realizar la tarea que pidióla interrupción.

• Los efectos de interrupciones anidadas. [15, 8]

Una vez que el resultado del cálculo de determinismo y responsividad esobtenido, se convierte en una característica del sistema y un requerimiento paralas aplicaciones que correrán en él.

Usuarios controladores: todos los usuarios tienen un mejor control detodos los procesos que se ejecutan en el sistema esto es.

• Los procesos son capaces de especi�car su prioridad

• Los procesos son capaces de especi�car el manejo de memoria querequiere

• Los procesos especi�can que derechos tiene sobre el sistema.

Con�abilidad:en los STR la con�abilidad es una característica clave,ya que el sistema no debe de presentar fallas, pero más aun la calidaddel servicio que se presta no debe de degradarse más allá de un límiteespeci�cado. El sistema tiene que tener la capacidad de seguir funcionandoaunque se presenten grandes catástrofes, o fallos mecánicos. Por lo generaluna degradación en el servicio en un STR lleva consecuencias catastró�cas.

Operación a prueba de fallas duras (Fail soft operation): al hablarde tolerancia a los fallos se re�ere a la capacidad de un sistema de conservarla máxima capacidad y los máximos datos posibles en caso de un problemagrave que afecte alguna parte del sistema. Cuando se re�ere a la toleranciaa las fallas se está hablando también de la estabilidad ya que un sistema detiempo real cuando le es imposible cumplir todos los plazos de ejecución delas tareas que tenía asignado en ese momento, el sistema cumple los plazosde las tareas más críticas y de mayor prioridad que hasta ese momento seestaban ejecutando.[15, 8]

Como se puede observar en el capitulo los sistemas en tiempo real son muyútiles y bastante utilizados en la actualidad por ese motivo el proyecto se basa en


este tipo de sistemas y sus diferentes características las cuales serán muy útilesa la hora del desarrollo del proyecto de investigación. El sistema que se estádesarrollando puede llegar a considerarse como un sistema en tiempo ya que elmuestreo de las señales se basa en interrupciones las cuales garantiza el periodode muestreo de las señales de los acelerómetros, además se puede consideracomo un sistema de tiempo real blando ya que algún retardo de las señales delos acelerómetros no afectaría de manera trascendental la visualización de dichosdatos en el computador.

Capítulo 3

Sistema de captura demovimiento.

En este capítulo se abordara el sistema de captura de movimiento el cual sepuede considerar como un sistema en tiempo real blando.1

Figura 3.1: Diagrama en bloques del sistema de captura de movimiento

En la �gura 3.1 se observa el diagrama en bloques del sistema de capturade movimiento el cual consta de 4 elementos como lo son la sensorica, el soft-ware del microcontrolador, el módulo de transmisión y la visualización de losdatos . Durante el desarrollo del capítulo se hará una descripción detallada decada bloque del sistema, mirando sus componentes y sus características que losinvolucran en el sistema.

3.1. Sensores.

Esta sección trata la parte de sensórica del sistema, en la cual se describiráel sensor utilizado en el proyecto y sus respectivas características.

Para este proyecto se utilizan los sensores llamados acelerómetros. Un acele-rómetro es un sensor que captura la variable física de la aceleración y la convierteen variable eléctrica que en este caso es voltaje. Los módulos de los aceleróme-tros que se utilizan en el proyecto miden las aceleraciones instantáneas (en cada

1véase en el capitulo 2

17

CAPÍTULO 3. SISTEMA DE CAPTURA DE MOVIMIENTO. 18

uno de los ejes del sistema ortogonal) del movimiento al que es sometido elsensor. Para este sistema se utiliza una tarjeta MMA7260Q la cual contiene unacelerómetro y su respectivo acondicionamiento para que su implementación seamás sencilla. Esta tarjeta que usa el acelerómetro MMA7260QL el cual es unacelerómetro de 3 ejes que cuenta con cuatro niveles de sensibilidad seleccio-nable (1.5g, 2g, 4g y 6g) además de eso esta tarjeta incluye los �ltros externosnecesarios para el funcionamiento del acelerómetro. Tiene además una regletade 2x5 de 0.1" de espaciamiento entre pines para facilitar su conexión.2

El acelerómetro MMA7260Q funciona como un sensor capacitivo, es decir,se clasi�ca dentro del grupo de los acelerómetros capacitivos y estos operan conuna técnica donde la capacitancia del elemento interno cambia en proporción ala aceleración aplicada.

Figura 3.2: Acelerómetro en su estado inicial

En la �gura 3.2 se muestra un acelerómetro en su estado inicial, es decir,su aceleración es 0, la �gura representa el sensor el cual consta de dos placasconductoras paralelas, un tipo de electrodo con área de expansión (A) y unamasa m suspendida por medio de un elemento de rigidez (k). Entre la masay los electrodos existe una distancia base (d) simétrica, por lo que el aire queexiste en el hueco entre cada electrodo y la masa sísmica forma un �capacitormecánicamente variable�. Cuando el elemento es acelerado de acuerdo con laSegunda Ley de Newton, se presenta una fuerza inercial (F), proporcional a laaceleración que sufre la masa (m), este efecto se puede observar en la �gura 3.3.

2véase en el datasheet de MMA 7260Q


Figura 3.3: Acelerómetro con aceleración de 1g

Esa fuerza hace que la masa se mueva cierta distancia (x) cercana o lejana,respectivamente al electrodo inferior y al electrodo superior. Puesto que el ele-mento de soporte tiene una rigidez (k), la distancia de separación se expresacomo:

x = F/k(3− 2) (3.1)

El cambio en la distancia corresponde a los cambios en la capacitancia (C):

C1 =(A¿)(d+ x)

(3.2)

C2 =(A¿)(d− x)

(3.3)

Donde: A es el área del electrodo, ¿ corresponde a la permisividad del aire(constante dieléctrica), d es la distancia entre la masa y el electrodo en la condi-ción de 0g y x es el desplazamiento de la masa. Estos acelerómetros incorporancircuitos micro-eléctricos, que usan puentes capacitivos para convertir el cambiode capacitancia a una señal de voltaje útil.[18]

Figura 3.4: Tarjeta MMA 7260, a) Acelerometro MMA 7260Q b) Distribuciónde pines c) Ejes del acelerómetro


En la tarjeta de la �gura 3.4 se puede observar el acelerómetro MMA7260Q,su distribucion de pines y los ejes con su respectiva direccion, este sensor permitedetectar las aceleraciones que genera la marcha humana mediante la siguienteformula.

a =d2r

dt2(3.4)

Para determinar la velocidad y la posición simplemente se realiza la integralde la ecuación (3.4) y se obtienen las siguientes expresiones.

v =

ˆd2r

dt2=

dr

dt(3.5)

r =

ˆ ˆd2r

dt2(3.6)

A la hora de utilizar el sensor es necesario realizar un acondicionamiento sen-cillo para que este pueda acoplarse a un conversor A/D, en el caso del proyectoa un microcontrolador . En la �gura 3.5 se observa el acondicionamiento delsensor el cual cuenta con �ltros pasa bajos a la salida de cada uno de los ejes delacelerómetro,esto con el �n de retirar el ruido que pueda generar la salida delsensor ya que la señal generada por el acelerómetro corresponde a un nivel DCque varía de acuerdo al movimiento del sensor. Los �ltros son externos al sensorpor lo cual pueden variar de acuerdo a la aplicación que se le de al sensor, en elcaso del proyecto los �ltros son igual a como se observan en la �gura.

Figura 3.5: Diagrama de acondicionamiento del sensor, tomada del datasheet dela tarjeta MMA7260Q

La tarjeta MMA7260 funciona adecuadamente en el sistema de captura demovimiento ya que su tamaño es bastante pequeño y su acondicionamiento es


sencillo, esto permite mucha facilidad a la hora de ensamblar los sensores a laestructura. Para este sistema se propone realizar el sensado de las variables con4 acelerómetros, es decir, 2 acelerómetros en cada pierna del exoesqueleto.

3.2. Software del microcontrolador PIC.

El microcontrolador del proyecto debe tener los siguientes requerimientos:

12 entradas análogas/digitales

Módulo de transmisión serial

Interrupciones por timer

Se propuso utilizar el microcontrolador (pic) de microchip 18f45503 el cualcumple con los requerimientos necesarios para la ejecución del proyecto. EstePIC cuenta con 13 canales de conversión análoga-digital de 10 bits, el PICtambién cuenta con un módulo de transmisión serial el cual será utilizado parala comunicación del microcontrolador con el computador.

Para poder realizar el proceso de muestreo de las señales que llegan de losacelerómetros es necesario utilizar las interrupciones del microcontrolador, lasinterrupciones son eventos que hacen que el microcontrolador deje de ejecutartareas que están realizando en el momento para desarrollar dicho acontecimientoy luego regresar a las funciones que estaba realizando antes de que se presentela interrupción.

El microcontrolador 18f4550 consta con 21 fuentes de interrupciones lascuales se dividen en dos grupos los cuales se mostraran en el cuadro 3.1.

3Véase mas información en el anexo 1


Interrupción del temporizador 0

Interrupción por cambio en PORT B

Interrupción externa 0



(a) Grupo general de interrupciones

Interrupción del SSP Interrupción por fallo del oscilador

Interrupción del A/D Interrupción del comparador

Interrupción de recepción de la EUSART Interrupción del USB

Interrupción de transmisión de la EUSART Interrupción de escritura Flash/EEPROM

Interrupción del MSSP Interrupción de colisión del bus (MSSP)

Interrupción del CCP1 Interrupción del detección de anomalías en VDD

Interrupción del temporizador 2 Interrupción del temporizador 3

Interrupción del temporizador 1 Interrupción del CCP2

(b) Grupo de interrupciones de periféricos

Cuadro 3.1: Interrupciones del PIC 18f4550,tomado del manual PIC 18f4550 dela Universidad Politécnica de Valencia

Para el manejo de las interrupciones del 18f4550 hay que tener en cuentaque las interrupciones disponen de dos niveles de prioridad alto y bajo, todas lasinterrupciones pueden ser programadas en alguno de los dos niveles de prioridad,excepto la interrupción externa 0 la cual permanece siempre en alto, además deeso todas las interrupciones cuentan con 3 bits de con�guración.

Para poder lograr las muestras de las señales es necesario utilizar la inter-rupción por timer, para el caso del proyecto se utiliza el TIMER0 y para poderdeterminar el tiempo de desborde la interrupción se utiliza el software Red PicCalculator el cual permite calcular el tiempo de desborde de la interrupción te-niendo parámetros como la frecuencia del cristal, el numero de bits del registrodel timer y la prescala que se desea a utilizar.


Figura 3.6: Software Red Pic Calculator

En la �gura 3.6 se puede observar cómo se calcula el valor del timer para undeterminado tiempo, en el ejemplo se utiliza un cristal de 4MHz, se con�gura elTIMER0 a 8 bits y un Pre-escalar 1:1, el tiempo que se desea para el desbordede la interrupción es de 0,12 ms y con las con�guraciones anteriores el softwaregenera un valor de 136 para cargar un valor del timer en el microcontrolador.Para veri�car el funcionamiento de las interrupciones se realizaron diferentespruebas, esto con el �n de garantizar el periodo de muestreo de las señalesgeneradas por los acelerómetros, estas pruebas son mencionadas a continuación.

La primera etapa de desarrollo era lograr activar la interrupción del PICpara encender un led cada vez que a interrupción se desbordaba, para esto seescoje un tiempo de 30ms el cual es su�ciente para lograr la captura y el envióde las 12 señales generadas por los acelerómetros, así mismo se calcula el valorcon el que se debe cargar la interrupción en el PIC mediante el software RedPic Calculator.

Figura 3.7: Señal de la interrupción del PIC vista en el osciloscopio

En la �gura 3.7 se observa la señal que genera la interrupción del PIC,mediante esta señal y a ese determinado tiempo se enciende y se apaga un ledcada vez que la interrupción se desborde, esto se puede observar en la �gura 3.8


(a) Estado inicial de los leds (b) Estado �nal de los leds

Figura 3.8: Cambio de estado de los leds mediante la interrupción del PIC

Luego de veri�car mediante la prueba anterior que la interrupción se desbor-da en el tiempo indicado y que funciona adecuadamente se procede a realizar lasegunda prueba, la cual consiste en agregar la conversión análoga-digital paraque suceda lo mismo que en la prueba anterior.

(a) Estado inicial de los leds (b) Estado �nal de los leds

Figura 3.9: Cambio de estado de los leds mediante conversión A/D

Como se observa en la �gura3.9 el estado del led cambia a medida que el valordel potenciómetro varía, este tipo de prueba se realizo para lograr veri�car quela conversión análoga-digital funcione correctamente dentro de la interrupción4.

La última prueba que se realizo fue realizar la transmisión de los datosmediante el puerto serial del PIC, esta prueba consiste en envía el dato que seencuentra en el conversor análogo-digital por el puerto serie mediante RS-232.

4Para la simulacion se utiliza el software ISIS Proteus 7.2 Sp 6


Figura 3.10: Transmisión de los datos mediante puerto serial.

En la �gura 3.10 se observa la letra q la cual le ordena al microcontroladorque realize el envió de los datos además se observa una trama de puntos quecorresponden a los 12 datos que el microcontrolador debe enviar al computador.

Una vez garantizado el periodo de muestreo de las señales de los aceleró-metros, se procede a utilizar dos microcontroladores, es decir se utilizara unmicrocontrolador por cada dos sensores, para la comunicación entre los PICS sehará mediante I2C.

El protocolo I2C se desarrollo para simpli�car la interconexión de disposi-tivos al microprocesador, Philips desarrolló un sencillo bus bidireccional basadoen dos hilos por el que se trasmiten los datos vía serie, este bus de comunicaciónmaneja una velocidad de 100Kbit/s en el modo estándar, aunque también per-mite velocidades de 3.4 Mbit/s

El I2C es un bus muy usado en la industria, principalmente para comu-nicar microcontroladores y sus periféricos en sistemas integrados (EmbeddedSystems) y generalizando más para comunicar circuitos integrados entre sí quenormalmente residen en un mismo circuito impreso. La principal característi-ca de I2C es que utiliza dos líneas para transmitir la información, una paralos datos (SDA) y por otra la señal de reloj (SCL). También es necesaria unatercera línea(GND), pero esta sólo es la referencia, en aplicaciones como la deeste proyecto donde se involucran microcontroladores la tercera línea no es nece-saria en la comunicación.[13] En la siguiente �gura se observa la conexión delprotocolo I2C con su hilo de datos y el hilo de la señal de reloj.


Figura 3.11: Conexion del bus I2C

La primera propuesta de diseño para el sistema de captura de movimientocorresponde al uso de dos microcontroladores para las 12 señales de los acele-rómetros y se realiza una comunicación I2C entre los microcontroladores, en lasiguiente �gura se mostrara un pequeño diagrama en bloques de la propuestade diseño del sistema.

Figura 3.12: Sistema de captura de movimiento utilizando comunicación I2C

En la �gura 3.12 se observa la implementación del sistema de captura demovimiento utilizando como el I2C como protocolo de comunicación entre losdos PIC, este tipo de implementación cuanta con un PIC �Maestro� el cualserá el encargado de recibir los datos de un PIC � Esclavo� , además de eso elmaestro será el encargado de enviar todos los datos al computador mediante supuerto serial. El diseño de la �gura 3.11 se trabajo hasta el punto donde deberíarealizarse la comunicación I2C entre el PIC �Maestro� y el PIC �Esclavo�.

La implementación no tuvo gran éxito ya que se presento un problema funda-mental el cual consistía en la sincronización de los datos entre el PIC �Maestro�y el computador, adicionalmente el problema de sincronización también se pre-sentaba en el envió de datos del PIC �Esclavo� al PIC � Maestro�.

Debido al problema del diseño anterior se estudio la posibilidad de utilizar unsolo PIC el cual será el encargado de recibir las 12 señales de los acelerómetrosy posteriormente enviar los datos mediante su puerto serial.



En la �gura 3.13 se observa el diseño �nal del sistema, el cual es el indicadoya que simplemente se utiliza un solo microcontrolador, esta implementaciónfunciona correctamente por lo cual se procedió a realizar el diseño del circuitoimpreso del sistema, del diseño de la �gura 3.13 se realiza el circuito impre-so el cual consta de los acondicionamientos de los cuatro acelerómetros y elmicrocontrolador PIC5. En la siguiente �gura se observa el diagrama de �ujocorrespondiente al software del microcontrolador PIC.

Figura 3.14: Diagrama de �ujo del software del PIC

En la �gura 3.14 se observa el diagrama del programa del PIC, este constade la declaración de las variables, en la interrupción el programa realiza laslabores de conversión y envió de los datos, adicionalmente a eso se genera unainterrupción del puesto serie que veri�ca si el bu�er del puesto esta lleno, si

5Los planos del circuito impreso véase en el anexo 3


el bu�er del puerto serie no recibe ningún dato no se realiza el proceso de lainterrupción.

3.3. Módulo de comunicación.

Figura 3.15: Elementos del sistema de captura de movimiento

En la �gura 3.15 se observan los diferentes elementos del sistema, en estepunto del proyecto ya se tienen los acelerómetros conectados con el microcon-trolador PIC, ahora este se necesita comunicar con el computador.

La comunicación inalámbrica debe cumplir con los siguientes requerimientos.

Voltaje de polarización entre 3.3 y 5 voltios

Facilidad de conexion con el microcontrolador y el computador

Con�abilidad a la hora de realizar la transmisión de datos

Debido a su facilidad de manejo, su con�abilidad, su alcance y demás ca-racterísticas se escoge el módulo XBEE el cual está diseñado para facilitar laconexión del microcontrolador con el computador. El Xbee es módulo de radiofrecuencia que trabajan en la banda de 2.4GHz con protocolo de comunicación802.15.4 fabricados por MAXSTREAM. [4, 12]6

El protocolo de comunicación IEEE 802.15.4 (Zigbee) es un estándar quede�ne el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de áreapersonal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal áreanetwork, LR-WPAN). La actual revisión del estándar se aprobó en 2006, el grupo

6Para mas información véase en el anexo 2


de trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo.[14]La �gura 3.16corresponde a los 4 componentes del sistema que se mencionan en los bloquesde la �gura 3.1



3.4. Veri�cación de los datos en el computador.

Esta sección trata de la llegada de los datos al computador, en este punto delproyecto es muy importante saber si la llegada de los datos del microcontroladoral computador es correcta o no, para esto se realizo una prueba simple el cualpermitía hacer la veri�cación de los datos que llegan del PIC al computador.

Figura 3.17: Señal correspondiente a la letra q vista en el osciloscopio

En la �gura 3.17 se observa la señal obtenida de un osciloscopio de la letraq. La prueba consistía en enviar del microcontrolador la letra q al computa-dor y visualizarla en el osciloscopio, se veri�co que la señal de la �gura fueraexactamente la letra q, pues en binario la letra q corresponde a 0111 0001 parapoder leer la grá�ca y relacionarla con el numero binario se debe leer el numerobinario de derecha a izquierda y en la �gura se lee de izquierda a derecha.

Una vez que se veri�co la llegada correcta de los datos al computador, ahorase procede a veri�car que la conversión y el envió de los datos por parte del PICal computador sea correcta.

Figura 3.18: Señal de conversión y envió vista en el osciloscopio

En la �gura 3.18 se observa la señal del un pin del microcontrolador, para estose utiliza la función toogle del ccs para observar el cambio de estado del pin delPIC, el toogle se utilizo con el �n de medir el tiempo en que el microcontroladorgastaba realizando el proceso de conversión y envió de los datos por el puertoserial del PIC, la sección de la grá�ca con mayor frecuencia corresponde a la


conversión de los datos capturados por los acelerómetros, en la �gura 3.19a sepuede ver el tiempo de conversión de los 12 datos entregados por los sensores,mientras que la sección con una frecuencia mayor corresponde al envió de losdatos al computador con una velocidad de 57600 baudios la grá�ca de la �gura3.19b muestra el tiempo y la frecuencia de envió de los datos, en la grá�ca 3.18se puede observar el periodo y la frecuencia de muestreo del sistema.

(a) Señal del ciclo deconversión vista en elosciloscopio

(b) Señal del ciclo de en-vió de datos vista en elosciloscopio

Figura 3.19: Señal del proceso de conversión y envió vista en el osciloscopio

Luego se realiza visualizacion de los datos, para esto se utiliza el softwareMatlab, el cual permite habilitar el puerto serie para recibir los datos que llegandel microcontrolador mediante el módulo Xbee. En la siguiente �gura se observael diagrama de �ujo del software que se implemento en Matlab.

Figura 3.20: Diagrama de �ujo del software de Matlab

En la �gura 3.20 se observa el diagrama del software que se implemento enMatlab para la recepción de datos por parte del computador, este programasimplemente realiza el proceso de toma de datos, luego este realiza una función


la cual uno dos bytes que se envían para formar un dato de 10 bits el cualcorresponde a la revolución del conversor A/D del PIC, luego de esto el softwarerealiza el �ltrado de las señales mediante un �ltro digital �r y por ultimo elprograma realiza las diferentes grafías de las señales.

Figura 3.21: Señal de dos acelerómetros en Matlab

En la �gura 3.21 se pueden observar las diferentes señales generadas por unacelerómetro en cada uno de sus ejes, Matlab guarda los datos en un arreglo elcual su longitud varía de acuerdo al número de ciclos que se le coloque en elsoftware del computador.

Con la llegada de los datos en el computador ya se tiene el sistema de capturade movimiento, ahora el siguiente paso es realizar diferentes tipos de pruebade todo el sistema para mirar su funcionamiento y obtener los resultados delsistema.

Capítulo 4

Pruebas y resultados delsistema

Figura 4.1: Sistema real de captura de movimiento

La �gura 4.1 corresponde al sistema real de captura de movimiento, en lasimágenes se puede observar las diferentes ubicaciones de los acelerómetros enlas piernas de la persona y donde está ubicada la unidad de acondicionamientoy procesamiento de los datos.

Los acelerómetros se encuentran �jados a los miembros inferiores de la per-sona mediante una cinta velcro la cual permite que el sensor no se desplacepor la pierna a la hora que se realiza algún movimiento. Los acelerómetros seencuentran ubicados en posiciones especi�cas en cada una de las piernas, esto

33

CAPÍTULO 4. PRUEBAS Y RESULTADOS DEL SISTEMA 34

permite tener facilidad a la hora de realizar algún tratamiento de los datos enel computador.

Figura 4.2: Posición de los acelerómetros

La �gura 4.2 se observa la posición de los acelerómetros en los miembrosinferiores, los sensores 1 y 3 se encuentran 7cm arriba de la rotula de la rodilla,especí�camente se encuentran ubicados en el muslo, los sensores 2 y4 estánubicados en la parte inferior de la tibia aproximadamente unos 4 cm arriba delmaléolo externo.

Una vez obtenidas las posiciones exactas de los acelerómetros se procede arealizar la ubicación de los ejes coordenados de los sensores (x,y,z), la �gura 4.3muestra la ubicación de cada uno de los ejes coordenados correspondientes a los4 sensores utilizados para el sistema.

Figura 4.3: Ubicación de los ejes coordenados para cada acelerómetro

Una vez ubicados los acelerómetros y los ejes coordenados se procede a re-alizar las diferentes pruebas para la medición del tiempo en que el PIC envíalos datos al computador.

El desarrollo de las pruebas del sistema corresponde a calcular el tiempo enque el sistema se demora realizando todo el proceso, desde la captura de lasvariables de los acelerómetros hasta el envió y la visualizacion de los datos enMatlab.


Para calcular el tiempo en que se demora el computador en recibir los datosse utiliza la función tic-toc de Matlab, esta función calcula un valor de tiempoaproximado en que el software se demora en recibir y gra�car los datos entre-gados por los acelerómetros.

# DE MUESTRAS TIEMPO (s)

100 1.745

200 2.454

300 3.457

400 4.409

500 5.442

600 6.469

700 7.426

800 8.455

900 9.463

1000 10.452

Cuadro 4.1: Numero de muestras y tiempo de captura sin gra�car

En el cuadro 4.1 se observa el número de muestras capturadas y el tiempoaproximado en que los datos son enviados desde el PIC hasta el computador.

Figura 4.4: # muestras vs tiempo

La �gura 4.4 muestra la grá�ca correspondiente a los datos de la tabla 4.1, elcomportamiento de la grá�ca es lineal, ya que a medida que aumenta el númerode muestras también aumenta de manera proporcional el tiempo de captura enel computador.

Una vez que se realizaron las pruebas para los cálculos del tiempo se procedea visualizar las 12 señales que genera el sistema de captura de movimiento en elproceso de la marcha de una persona.


Figura 4.5: Señales correspondientes a los 4 acelerómetros del sistema

En la �gura 4.5 se observan las señales correspondientes a cada uno de losejes de los acelerómetros que componen el sistema, las gra�cas de color verdecorresponden a las señales generadas por el eje X de cada uno de los aceleróme-tro, las gra�cas de color rojo corresponden a las señales del eje Y y las gra�casde color azul corresponden a las señales del eje Z.

Para determinar el periodo y la frecuencia de muestreo indicado para elsistema se toma como referencia el ciclo de marcha del software Opensim, estesoftware permite generar las curvas del ciclo de marcha de una persona.

(a) Miembros infe-riores

(b) Grá�ca del ciclo de marcha

Figura 4.6: Ciclo de marcha de los miembros inferiores

La �gura 4.6 muestra la grá�ca del ciclo de marcha generado por el Opensim,la grá�ca tiene un tiempo de muestreo de 20ms por lo cual genera 50 muestrasen 1s que dura dicho ciclo, los datos de la grá�ca son extraídos a matlab pararealizar la FFT (Discrete Fourier Transform) y de allí determinar la frecuenciay el periodo de muestreo de la marcha.


(a) Parte real de la FFT de lagrá�ca

(b) Parte imaginaria de la FFTde la grá�ca

Figura 4.7: FFT de la grá�ca 4.6b

En la �gura 4.7 se observa la FFT de la grá�ca 4.6b, con esto se puededeterminar el ancho de banda indicado para realizar el muestreo de forma ade-cuada para el sistema de captura de movimiento que se está realizando. En lagrá�ca 4.7a se observa la parte real de la FFT de allí se determina la frecuen-cia de corte(Wc) que es de 15Hz, por lo cual para el sistema es convenientemuestrear a 2 veces la frecuencia de corte(Wc) , es decir mayor a 30Hz o a30m

s (muestras/segundo) , el sistema de captura de movimiento está toman-do 50m

s (muestras/segundo) por lo que se considera un sistema de adquisiciónapropiado.

Capítulo 5

Conclusiones y trabajosfuturos

Para realizar la medición de las variables de la marcha de una persona pormedio de los acelerómetros se desarrollo el hardware del sistema de captura demovimiento. Para que el sistema funcione adecuadamente se realizo el acondi-cionamiento de los acelerómetros el cual consiste en �ltros pasa-bajos como seobserva en la �gura 3.5, esto permite que las señales lleguen de forma adecua-da al microcontrolador para que puedan ser muestreadas y así estas se envíenmediante el protocolo Zigbee al computador. Al �nalizar el proyecto se logro im-plementar un sistema de adquisición de datos para registrar las variables durantela marcha.

Al �nalizar el desarrollo del proyecto de investigación se llega a la conclusión queel sistema de captura se comporta como un sistema de tiempo real blando debidoa que se presenta un retardo mínimo en la respuesta del sistema. El retardo en larespuesta se puede observar en la tabla 4.1 ya que para 100 muestras el sistemaideal se debe tomar un tiempo de 1s, pero el sistema real toma un tiempo de1.754s por lo cual se presenta un retardo de 0.75s. Se desea que en un futurose trabaje para lograr disminuir el retardo en la adquisición de los datos porparte del computador, por ejemplo se puede trabajar con un sistema operativode tiempo real para lograr un sistema en tiempo real duro, .

En el desarrollo del proyecto se presento el problema de la pérdida de datos ala hora de enviarlos del microcontrolador al computador, la pérdida de datosse presentaba al inicio de la comunicación por lo que las tramas iniciales dedatos se perdían. Para minimizar el problema de la perdida de información serealiza una bandera que veri�ca que el dato de la primera posición del bu�erde transmisión sea igual al dato de la posición del bu�er de recepción, con estoreduce la perdida de datos únicamente al dar inicio al sistema de captura. Paralograr eliminar el problema de la perdida de datos se puede trabajar diferentesherramientas de desarrollo como por ejemplo C#, Java,etc.

38

CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS 39

Anexo 1 (PIC 18F4550).


Anexo 2 (Módulo Xbee).


Anexo 3(Diseño del circuito impreso).

Bibliografía

[1] Alfredo. Un exoesqueleto para parapléjicos, Marzo 2008.

[2] Eduardo Garcia Berijo. Compilador C CCS y simulador Proteus para Mi-crocontroladores PIC. Marcombo S.A., 2008.

[3] Alicia Calderón. Comienza la producciÓn del exoesqueleto hal, el trajerobÓtico que incrementa tu fuerza 10 veces, Abril 2009.

[4] DEC electronics. Modulos de rf zigbee bidireccionales (transceivers).

[5] Gerardo Gabriel Gómez Añazco Federico Augusto Gaona Verón. Capturade movimientos, métodos y aplicaciones diversas. Facultad Politécnica,Universidad Nacional de Asunción - Paraguay, 1:6.

[6] Lihua Huang y Ryan Steger H. Kazerooni, Jean-Louis Racine. On thecontrol of the berkeley lower extremity exoskeleton (bleex). University ofCalifornia, Berkeley, International Conference on Robotics and Automa-tion, Barcelona,España, 1:8, 2005.

[7] JJcorps. Problems with i2c in pic16f877a, Mayo 2006.

[8] López Guel Juan. Sistemas de tiempo real, Julio 2006.

[9] Ariel A. Bonardi y Gerardo G. Gentiletti Marcela V. Urdaniz, María A. Or-tiz. Diseño y simulación de una Órtesis robótica para rehabilitación de lamarcha. Cátedra de Robótica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacionalde Entre Ríos., 1:4.

[10] Objetivos. Sistemas de tiempo real.

[11] José de Jesús Medel Juárez y Asdrúbal López Chau Pedro Guevara López.Importancia de los sistemas de tiempo real.

[12] Sebest. Con�guración módulos xbee, Diciembre 2009.

[13] Wikipedia. I2c, Noviembre 2010.

[14] Wikipedia. Ieee 802.15.4, Febrero 2011.

[15] Wikipedia. Sistema de tiempo real, Marzo 2011.

44

BIBLIOGRAFÍA 45

[16] J. Grosso y D. Tibaduiza. Diseño y validación de un exoesqueleto maestro-esclavo para rehabilitación de piernas. UNAB - Ingeniería Mecatrónica.,1:6, 2008.

[17] J.M. Grosso y D. Tibaduiza. Diseño conceptual de un exoesqueleto paraasistir la rehabilitación de miembro inferior. Universidad Autónoma deBucaramanga (Colombia), 1:6, 2009.

[18] FRANCISCO JAVIER ATAPUMA YANEZ. DiseÑo y construcciÓn de unprototipo usando un acelerÓmetro tridimensional para la determinaciÓnde movimientos en un vehÍculo. ESCUELA POLTÉCNICA NACIONALDE QUITO, 1:30, 2009.

IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN …IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN EXOESQUELETO...

Documents

Transcript of IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN …IMPLEMENTACION DE LA SENSÓRICA ARAP UN EXOESQUELETO...